Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Inkjet-bedruckte Polyvinylalkohol-Multilayer

Published: May 11, 2017 doi: 10.3791/55093
Automatic Translation
1,2, 2, 3, 2
1Emerging Technologies Research Centre (EMTERC), De Montfort University, 2WMG, University of Warwick, 3PVOH Polymer Ltd.

Summary

Ein Tintenstrahldrucker wurde zur Herstellung von Polyvinylalkohol-Mehrfachschichten verwendet. Polyvinylalkohol-basierte Tinte wurde formuliert, und die wichtigsten physikalischen Eigenschaften wurden untersucht.

Abstract

Inkjet-Druck ist eine moderne Methode für die Polymerverarbeitung, und in dieser Arbeit zeigen wir, dass diese Technologie in der Lage ist, Polyvinylalkohol (PVOH) mehrschichtige Strukturen herzustellen. Eine wässrige Polyvinylalkohollösung wurde formuliert. Die intrinsischen Eigenschaften der Tinte, wie Oberflächenspannung, Viskosität, pH-Wert und Zeitstabilität, wurden untersucht. Die PVOH-basierte Tinte war eine neutrale Lösung (pH 6,7) mit einer Oberflächenspannung von 39,3 mN / m und einer Viskosität von 7,5 cP. Die Tinte zeigte pseudoplastische (nicht-Newtonsche Scherverdünnung) Verhalten bei niedrigen Schergeschwindigkeiten, und insgesamt zeigte sie eine gute Zeitstabilität. Die Benetzbarkeit der Tinte auf verschiedenen Substraten wurde untersucht, und Glas wurde in diesem Fall als das geeignetste Substrat identifiziert. Zur Herstellung von Polymer-Multilayer-Strukturen wurde ein proprietärer 3D-Tintenstrahldrucker eingesetzt. Die Morphologie, das Oberflächenprofil und die Dickengleichmäßigkeit der Inkjet-gedruckten Multilayer wurden mittels optischer Mikroskopie ausgewertet.

Introduction

Polyvinylalkohol ist halbkristallines, künstliches, ungiftiges, wasserlösliches, unlösliches in den meisten organischen Lösungsmitteln, biologisch abbaubar und biokompatibel in menschlichen Geweben und hat ausgezeichnete Gassperreigenschaften 1 . Darüber hinaus ist PVOH aufgrund seiner vielen nützlichen Eigenschaften weit verbreitet in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt. Heutzutage wird PVOH in: Herstellung von Reinigungs- und Waschmittelprodukten, der Lebensmittelverpackungsindustrie, Wasseraufbereitung, Textil, Landwirtschaft und Bau (als Additive) 1 eingesetzt. Allerdings hat PVOH vor kurzem eine erhöhte Aufmerksamkeit für die pharmazeutischen Verwendungen 2 ( dh die Arzneimittelabgabe) und in den medizinischen Anwendungen 3 , 4 ( z. B. Wundverband, weiche Kontaktlinsen, Augentropfen und weiche Implantate für den Knorpelaustausch) angezogen. PVOH-Folien werden entweder durch eine Schmelz- oder Lösungsform hergestellt. Schmelzverarbeitung ist kompatibelNur mit PVOH mit niedrigem Hydrolysegehalt oder stark plastifiziertem PVOH. So können bei der Verwendung dieses Weges einige Eigenschaften geopfert werden 1 . Auf der anderen Seite kann eine PVOH-Schicht über die Lösungsform durch Tropfengießen 5 , Schleuderbeschichtung 6 oder Elektrospinnen 7 abgeschieden werden. Diese Verfahren haben jedoch eine Reihe von Beschränkungen hinsichtlich der Verschwendung von unerwünschtem Material. Beispielsweise wurde im Fall der Schleuderbeschichtung 8 festgestellt , daß 95% des Materials verschwendet werden. Darüber hinaus sind diese Methoden sehr starr im Begriff der Design / Features (keine Strukturierung Fähigkeit) und haben hohe Gesamtverarbeitungskosten. Um die Begrenzung der konventionellen Lösungsverarbeitung zu überwinden, erforschen wir hier das Potenzial der Inkjet-Drucktechnologie, um eine neuartige Plattform zur Herstellung von Polyvinylalkohol (PVOH) Mehrschichtstrukturen zu schaffen, die sowohl das Material als auch die App stark beeinflussenPerspektiven.

Die jüngsten Entwicklungen im verarbeitenden Gewerbe haben sich auf billige, einfache, umweltfreundliche und energiesparende Prozesse konzentriert. Inkjet-Druck (IJP) ist ein moderner Fertigungsprozess, der perfekt in diesen Rahmen passt. Die Hauptvorteile der IJP-Technologie sind die Effizienz der Materialnutzung, die digitale (Masken-) und additive Strukturierung, die großflächige Fähigkeit, die Kompatibilität mit starren / flexiblen Substraten und die geringen Kosten.

IJP ist ein Abscheidungsverfahren, das polymere Materialien verwendet, die in einem Lösungsmittel dispergiert sind. Bisher wurden funktionelle Polymer- 9 , Keramik- 10 , leitfähige Nanomaterial- 11 , 2D- 12 , biologisch und pharmazeutisch basierende 13 Materialien erfolgreich deponiert. In letzter Zeit wurde berichtet, dass IJP an der Ablagerung von Komponenten als Teil von elektronischen Geräten beteiligt war,Wie beispielsweise Transistoren 14 , Sensoren 15 , Solarzellen 16 und Speichervorrichtungen 17 sowie in der elektronischen Verpackung 18 .

Die Tinte, die Patrone und das Substrat sind gleichermaßen wichtige Komponenten, die im Druckverfahren eingesetzt werden. Erstens haben die physikalischen Eigenschaften der Tinte, wie die Oberflächenspannung und die rheologischen Eigenschaften ( dh die Scherviskosität) einen erheblichen Einfluss auf das Bedruckbarkeitsverhalten. Auch der pH-Wert spielt bei der Lösung ( zB Trocknung, Schaumbildung und Viskosität) und bei der Lebensdauer der IJP-Druckpatrone eine wichtige Rolle. Zweitens definiert für die Patrone (piezoelektrisch) die Treiberspannungswellenform tatsächlich die Tropfenbildung und sowohl die Richtcharakteristik als auch die Gleichmäßigkeit des Flüssigkeitsstrahls. Schließlich ist es zwingend erforderlich, dass die Tinten- / Substrat-Wechselwirkung sehr gut verstanden wird, da die Auflösung und GenauigkeitDes gedruckten Objektes sind stark von dieser Schnittstelle abhängig. Lösungsmittelverdampfung, Phasenänderungen von flüssig zu fest und chemische Reaktionen sind die Hauptprozesse, die zwischen dem Flüssigkeitsabfall und dem Substrat auftreten. Alle Aspekte, die an der IJP beteiligt sind, von Tinteigenschaften bis hin zu Tropfen- / Substratmechanismen, werden in den Berichtspapieren von Hutchings 19 und von Derby 20 hervorgehoben.

In dieser Studie erforschen wir die Fähigkeiten von IJP zur Herstellung von Polyvinylalkohol-Multilayern. Zuerst wurde eine PVOH-wasserbasierende Tinte formuliert, und die wichtigsten physikalischen Eigenschaften, wie rheologisches Verhalten, Oberflächenspannung und pH-Wert, wurden untersucht. Bei dieser Arbeit wurde ein piezoelektrischer Tintenstrahldrucker verwendet, und die entsprechenden Wellenformparameter wurden dann identifiziert. PVOH-Multilayer wurden gedruckt und die Qualität und die Oberflächen- / Dickenprofile wurden durch optische Mikroskopie beurteilt.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Tintenformulierung

  1. Die Lösung für IJP durch Auflösen von Polyvinylalkohol (8 Gew .-% PVOH in Wasser) in gereinigtem Wasser, das auf 60ºC erwärmt wurde, vorbereiten.
  2. Füge 10 g Monopropylenglykol (MPG) (10 Gew .-% Monopropylenglykol in Wasser) als Feuchthaltemittel zu der Lösung hinzu.
    HINWEIS: Die Rolle des Feuchthaltemittels besteht darin, Blockaden im Druckkopf zu verhindern.
  3. Die Lösung für mehrere Stunden aufrühren, um die Homogenität zu gewährleisten und sie dann durch einen 5 μm-Filter zu filtrieren, um Partikel zu entfernen, die die Düsen blockieren könnten.
  4. Die Tinte für die Homogenität visuell beurteilen, insbesondere für jede Sedimentation. Wenn Sedimentation beobachtet wird, dann rühren / Ultraschall die Lösung für eine lange Zeit (Tage) oder formulieren eine neue Lösung auf Wasserbasis mit einem PVOH mit niedrigem Molekulargewicht.
    HINWEIS: Alle Flüssigkeiten in verschlossenen Bechern bei Raumtemperatur aufbewahren.

2. Tintencharakterisierung

  1. Führen Sie alle Tinte ZeichenBei Raumtemperatur in einer Reinraumumgebung.
  2. Messen Sie die Viskosität der Lösung mit einem Viskosimeter.
    HINWEIS: Dieser Test ist erforderlich, um sicherzustellen, dass die formulierte Tinte mit der IJP-Hardware kompatibel ist. Das Tintenstrahldruckverfahren erfordert eine niedrigviskose Lösung von 4-20 cP. Messen Sie die Viskosität der Tinte als Funktion der Schergeschwindigkeit unter Verwendung eines Rotationsviskosimeters.
  3. Testen Sie die Oberflächenspannung der Tinte bei Raumtemperatur nach dem Pendant-Drop-Verfahren. Verwenden Sie ein geeignetes Messgerät wie ein Tensiometer. Verwenden Sie das Protokoll des Herstellers.
    HINWEIS: Eine typische Lösung für den Inkjet-Druck hat eine Oberflächenspannung von 30-40 mN / m.
  4. Testen Sie den pH-Wert mit einem pH-Meter. Verwenden Sie das Protokoll des Herstellers.
    HINWEIS: Der pH-Wert ist ein wesentlicher Parameter in wasserbasierten Tinten, da er wesentliche Informationen über die Eigenschaften und die Stabilität der formulierten Lösungen liefert. Ein neutraler Lösungs-pH-Wert von 7 garantiert eine stabile pRocess und eine gute lebensdauer für den druckkopf
  5. Beurteilen Sie die Benetzbarkeit der Tinte auf verschiedenen Substraten, indem Sie den Kontaktwinkel über ein sessiles Tropfenexperiment messen. Verwenden Sie ein Tensiometer, um die Oberflächenenergie der möglichen Substrate ( zB Glas, Kunststoff und Papier) zu messen. Messen Sie die Oberflächenenergie mit dem vom Tensiometerhersteller gelieferten Protokoll.
    HINWEIS: Die Wechselwirkung zwischen dem Tropfen und dem Substrat hat einen starken Einfluss auf die Druckqualität. Um die gute Haftung der Tinte auf dem Substrat zu gewährleisten, sollte die Oberflächenenergie des Substrats die Oberflächenspannung der Tinte um 10-15 mN / m übersteigen.

3. Tintenstrahldruck

HINWEIS: Alle Tintenstrahldruckablagerungen wurden bei Raumtemperatur durchgeführt. Die PVOH-Multischichten wurden unter Verwendung einer piezoelektrischen Hybrid-Tintenstrahldruckmaschine abgeschieden. Ein Druckkopf mit 512 Düsen (256 x 2 Reihen), ein 30 μm Düsendurchmesser und eine 42-pL-Tropfengröße wurde verwendetD in dieser Arbeit.

  1. Vor dem Bedrucken gründlich die Glassubstrate mit Aceton / Methanol / Isopropanol und Di Wasser reinigen. Trocknen Sie die Substrate mit einer N 2 -Pistole.
  2. Legen Sie das Substrat auf das Bedruckbett und befestigen Sie es fest.
  3. Bereiten Sie die Patrone vor, indem Sie die Tinte durch den Druckkopf spülen. Entfernen Sie jegliche Luft- oder Reinigungslösung aus dem Vorratsbehälter und den Düsen.
  4. Die Patrone in den Drucker einlegen. Verbinden Sie den Druckkopf mit dem globalen Inkjet-System (GIS) Druckmanager über die Kopfpersönlichkeitstafel.
  5. Laden Sie die Lösung in die 150 ml Spritze, die sich oberhalb der Patrone befindet, und verschließen Sie die Spritze mit einer luftdichten Kappe.
  6. Spülen Sie die Tinte durch die Düse durch Drücken der Spültaste.
    HINWEIS: Der Abstand der Düsensubstrat hat einen starken Einfluss auf die Strahlbahn und damit auf die Qualität des gedruckten Musters. Stellen Sie daher den Abstand der Düsensubstrat mit der Software des Druckers ein, um die Strahlausbreitung zu reduzieren.
  7. SetUp der Wellenform und Druckparameter mit der GIS-Drucksoftware und Tabelle 2 .
    HINWEIS: Die GIS-Software-Schnittstelle ermöglicht die Kontrolle über die Zug- und Freigabeamplitude und die Breite.
  8. Laden Sie die gewünschte Bilddatei zum Drucken mit der GIS-Druckmanager-Software.
  9. Starten Sie den digitalen Prozess und drucken Sie das Bildmuster auf das Substrat.

4. Analyse des gedruckten Musters

  1. Untersuche die Qualität der gedruckten Muster mit einem optischen Mikroskop. Überprüfen Sie auf das Vorhandensein von Defekten in gedruckten Funktionen und bewerten Sie die Verbesserung der Qualität, wenn mehr Schichten gedruckt wurden.
  2. Auswertung der Oberflächentopologie und des Dickenprofils der Inkjet-bedruckten Multilayer mittels eines berührungslosen 3D-Oberflächenprofilierers (basierend auf Weißlicht-Interferometrie) über ein 3D-Optikmikroskop.
    HINWEIS: Weitere Details über Messungen und die Instrumente, die zur Formulierung / Drucklegung und Charakterisierung verwendet wurdenGedruckte Muster sind in Bezugszeichen 21 dargestellt.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Die physikalischen Eigenschaften von PVOH-Wasser-basierter Tinte, wie Oberflächenspannung, Viskosität / rheologisches Verhalten, pH-Wert, Benetzung und Zeitstabilität, wurden untersucht. Die Viskosität der in dieser Arbeit verwendeten Tinte betrug 7,5 cP und die Oberflächenspannung betrug 39,3 mN / m. Zusätzlich war die formulierte Tinte neutral (pH 7), wobei die Ergebnisse in Tabelle 1 zusammengefasst waren.

Tinte Oberflächenspannung (mN / m) Viskosität (cP) 1 min / 25 U / min PH-Wert
PVOH_ink Mittlerer Wert. = 39,5; SE = 0,2 Mittlerer Wert. = 7,6; SE = 0,17 6,75 ± 0,05 *

Eine visuelle Untersuchung der Lösung wurde durchgeführt, um die Homogenität zu überprüfen und jede Sedimentation oder Flockung der Tinte zu identifizieren. Wie in Abbildung 1 zu sehen ist, ist die formulierte Lösung frei von großen Partikeln und hat ein milchiges Aussehen.

Abbildung 1
Abbildung 1: PVOH-Wasser-basierte Tinte. Dieses Bild zeigt, dass die Lösung nach der Formulierung deutlich frei von sichtbaren großen Partikeln ist.

Darüber hinaus ist zu betonen, dass die rheologischen Eigenschaften der Lösung eine entscheidende Rolle für das Bedruckbarkeitsverhalten spielen; Sie werden aus diesem Grund analysiert. Das rheologische Verhalten wurde durch Messung der Viskosität als Funktion der Scherrate untersucht. Wie in Fig. 2 gezeigt , verringerte sich die Viskosität mit zunehmender Scherrate, was das nicht-Newtonsche Scherverdünnungsverhalten über den Bereich der Schergeschwindigkeiten von 1 bis 100 s & supmin; ¹ zeigte.

Figur 2
Abbildung 2: Viskosität als Funktion der Scherrate. Die formulierte Tinte weist ein pseudoplastisches / nicht-newtonisches Scherverdünnungsverhalten bei niedrigen Schergeschwindigkeiten auf. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Es ist wichtig zu betonen, dass die Stabilität der Tinte entscheidend für die Aufrechterhaltung der Qualität während des Druckens ist; So wurde die Stabilität der Tinte bei Umgebungsbedingungen beurteilt. Die stabiLity-Test wurde durch Messung der Viskosität und des pH-Werts der PVOH-Tinte als Funktion der Zeit über aufeinanderfolgende tägliche Messungen über 30 Tage durchgeführt. Fig. 3 zeigt die Histogramme der gesammelten Daten, die sowohl die Mittelwert- als auch die Standardabweichungswerte einschließen.

Abbildung 3
Abbildung 3: Histogramm der Viskosität (links) und pH (rechts) der PVOH-Wasser-basierten Tinte. Um einen zuverlässigen und reproduzierbaren Prozess zu gewährleisten, wurde die Stabilität der Tinte untersucht und die Ergebnisse sind in diesem Bild dargestellt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Darüber hinaus wird während des IJP der Spritzvorgang ( dh das Ziehen von Tinte in die Kammer und das Ausstoßen von Tinte aus tDurch die Düsen) wird durch die physikalische Verformung der piezoelektrischen Membran nach dem Aufbringen von elektrischem Potential vollständig gesteuert. Es ist sehr wichtig zu wiederholen, dass die Strahlzuverlässigkeit und -konsistenz durch die Tinteneigenschaften und die optimalen Wellenformeinstellungen vollständig definiert sind. Die optimalen Wellenformparameter, wie der Zugspannungsimpuls (V D ) und der Freigabeimpuls (V R ), wurden identifiziert und sind in Tabelle 2 enthalten.

Tinte Puls ziehen Freigabe Puls
Spannung (V) Zeit (μs) Spannung (V) Zeit (μs)
PVOH_ink 15 5 7,5 10

Tabelle 2: Druck- (Wellenform-) Parameter, die auf den piezoelektrischen Druckkopf im Experiment angewendet werden. Die Amplituden und Breiten der Zug- und Freigabeimpulse sind entscheidend für die Spritzleistungen. Die entsprechenden Werte sollten identifiziert werden, um eine qualitativ hochwertige Druckschicht zu gewährleisten.

Als Ausgangspunkt wurden die Amplituden / Breiten der Spannungsimpulse entsprechend gewählt, wobei die Eigenschaften des Fluids sowohl die Oberflächenspannung als auch die Viskosität einschließen. Dann wurde ein Muster gedruckt und die Qualität der gedruckten Schichten wurde beurteilt. Außerdem wurden die Wellenformeinstellungen angepasst, bis die beste Qualität erreicht wurde.

Darüber hinaus spielen die Drop-Substrat-Wechselwirkungen eine wichtige Rolle bei der Druckqualität. Es ist bekannt, dass eine gute Haftung der inK zum Substrat erfolgt, wenn die Oberflächenenergie des Substrats die Oberflächenspannung 22 der Tinte um 10-15 mN / m übersteigt. Zuerst wurden die Oberflächenenergien mehrerer potentieller Substrate ( dh Glas, Kunststoff, elektronisches Papier und Fotopapier) getestet und die Ergebnisse sind in Tabelle 3 enthalten. Um die beste Übereinstimmung von Substrat zu Tinte zu identifizieren, wurden die Oberflächenenergie der getesteten Substrate und die Oberflächenspannung der formulierten Tinte verglichen und der Glasschieber wurde für weitere Arbeiten ausgewählt.

Untergrund Oberflächenenergie (mN / m)
Glasrutsche 65
Kunststoff 51,5
Elektronisches Papier 50,8 Fotopapier 47.5

Tabelle 3: Oberflächenfreie Energien von vier Potentialsubstraten. Um die hervorragende Haftung der Tinte auf dem Substrat zu sichern, wurden die Oberflächenenergien von vier Potentialsubstraten bestimmt. Daher muß für die richtige Haftung der Tinte auf dem Substrat die Oberflächenspannung der Tinte der 10-Punkt-Regel folgen ( dh die Oberflächenspannung sollte um mindestens 10 mN / m niedriger sein als die Oberflächenenergie der Substratoberfläche ).

Das Benetzungsverhalten der PVOH-Tinte wurde dann untersucht. Wie in Abbildung 4 dargestellt (Insert-Bild), zeigt die PVOH-Tinte eine gute Benetzbarkeit mit dem Kontaktwinkel "erster Kontakt" von 54,5 ± 0,1 ° (die Genauigkeit der Kontaktwinkelmessung wird als ± 0,1 ° angegeben). DasDie Entwicklung des Kontaktwinkels mit der Zeit ist in Fig. 4 dargestellt; Es kann beobachtet werden, dass in den ersten 25 s eine leichte Abnahme des Kontaktwinkels auftritt, woraufhin es ziemlich konstant ist.

Abbildung 4
Abbildung 4: Kontaktwinkel gegenüber der Zeit für das PVOH-Tinten- / Glassubstrat. Inset: Bild des Tintentropfens auf dem Glassubstrat.

Optische Mikrophotographien des IJP von PVOH mit 10 und 75 Schichten sind in Abbildung 5 dargestellt. Eine Anzahl von Defekten, die durch einen sehr bekannten Ring / Kaffee-Fleckeneffekt 23 , 24 erzeugt werden, ergeben sich in dem Fall, in dem das Muster durch 10 Druckdurchläufe hergestellt wurde ( 5a ). Trotzdem ist es interessant zu beobachten, dass die Qualität nach dem Drucken von 75 Schichten deutlich verbessert wird. Es ist klar, dass die Ringbildung wirksam unterdrückt wurde, als 75 Schichten gedruckt wurden (Abbildung 5b ). Die beobachtete Verbesserung der Qualität des gedruckten Musters könnte auf die Änderung der Lösungsmittelverdampfungsrate / Fluidströmung und auf die Änderung der Grenzflächenwechselwirkung zwischen einer großen Anzahl von überlappenden Schichten zurückzuführen sein. Zusätzlich ist das Erwärmen des Substrats während der Abscheidung und die Verwendung eines flüchtigen Co-Lösungsmittels zwei mögliche Ansätze, um diese Defekte zu überwinden.

Abbildung 5
Abbildung 5: Optische Mikrophotographien des Inkjet-Drucks PVOH mit (a) 10 und (b) 75 Schichten von Druckdurchgängen. Die Qualität der bedruckten Schichten wurde mittels optischer Mikroskopie beurteilt. Dieses Bild vergleicht die Qualität von 10 und 75 gedruckten Schichten. Das Bild zeigt, dass die Qualität deutlich verbessert ist, wenn 75 Schichten gedruckt wurden.Ftp_upload / 55093 / 55093fig5large.jpg "target =" _ blank "> Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Das "Warwick" -Logo wurde von 100 Druckdurchgängen bedruckt und anschließend das Oberflächenprofil und die Dickengleichmäßigkeit untersucht. Wie in Fig. 6 zu sehen ist, ist der erste Teil des Musters teilweise bedeckt. Allerdings können die beobachteten schlecht abgedeckten Bereiche mit dem "ersten Tropfen" -Effekt 25 im Druckprozess verknüpft werden. Erwartungsgemäß spiegelt dieser Effekt auch die Dickengleichförmigkeit wider ( dh die Dicke ist über den gesamten gescannten Bereich nicht gleichmäßig).

Abbildung 6
Abbildung 6: Das "Warwick" -Logo, das mit den PVOH-Wasser-basierten Tintenoberflächen (links) und der Dicke (rechts) profiliert ist. Dieses Bild zeigt, dass dieDer erste Buchstabe des Musters ist schlecht bedeckt; Dies spiegelt sich auch in der Gleichmäßigkeit der Dicke wider. Allerdings sieht der Rest des gedruckten Musters ziemlich gut aus.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

In dieser Arbeit haben wir erfolgreich die Fähigkeit der Inkjet-Drucktechnologie gezeigt, um Polymer-Multilayer abzusetzen. Das rheologische Verhalten wurde untersucht, und die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass die formulierte Tinte ein pseudoplastisches Scherverdünnungsverhalten zeigt. Auch die PVOH-Tinte ist eine neutrale Lösung (pH 7) und zeigt eine gute Stabilität über die Zeit. Bemerkenswert ist, dass die IJP-Technologie in der Lage ist, Polyvinylalkohol-Multilayer-Strukturen herzustellen, aber es sind weitere Verbesserungen in der Druckabdeckung und der Gesamtqualität erforderlich.

Weiterhin ist zur Verbesserung der Genauigkeit der gedruckten Muster ein besseres Verständnis der Wechselwirkung zwischen der Tinte und dem Substrat sowie zwischen benachbarten Schichten sowie eine effektivere Steuerung des Strahlverhaltens erforderlich.

Drop-on-Demand (DOD) IJP ist eine moderne Methode, um Material zu deponieren, und es hat vor kurzem CapDie Aufmerksamkeit der Forschungsgemeinschaft. Die DOD IJP-Technologie hat die Möglichkeit, eine breite Palette von Materialien, von Polymeren zu Metallen und sogar Pharmazeutika abzuscheiden. Allerdings gibt es eine Reihe von Herausforderungen, wie die Ablage von fehlerfreien gedruckten Schichten; Erreichen eines hochauflösenden Musters 26 ; Und Herstellung von dünnen (weniger als 1 μm), mehrschichtigen Strukturen. Bemerkenswert ist, dass die gedruckte Auflösung durch das Volumen der ausgestoßenen Tropfen definiert ist und derzeit das maximale Volumen, das dispergiert werden kann, ungefähr 1 pL beträgt. Allerdings wird eine weitere Entwicklung in naher Zukunft erwartet. Darüber hinaus sind sowohl die Tinte als auch der Druckkopf gleichermaßen verantwortlich für den DOD-Druckprozess. Zum Beispiel sollten für die Tinte die Schlüsselparameter wie Oberflächenspannung, Viskosität und pH-Wert mit der IJP-Hardware kompatibel sein. Um die Verdampfungsrate zu steuern und somit die Gleichmäßigkeit der bedruckten Schicht (en) zu verbessern, kann ein Co-Lösungsmittel verwendet werden. Auf der anderen Seite, für den Druckkopf, Die Wellenformgestaltung, die Dauer und die Amplitude der angelegten Impulse sind die Schlüsselparameter im Druckprozess.

Eine neue Strategie im Elektroniksektor ist es, Wege zu finden, um umweltfreundliche elektronische Geräte zu machen. In diesem Zusammenhang ist die 3D-IJP-Technologie ohne Zweifel eine der vielversprechendsten Technologien, um die durch die Fertigung verursachte schädliche Strahlung und Wärmeerzeugung zu reduzieren und auch Kostensenkungen zu erzielen. IJP ist in der Lage, das gesamte System der Herstellung von elektronischen Geräten, einschließlich Materialauswahl, Design und Fertigung, und Gerätekonfiguration und Architektur zu revolutionieren. 3D IJP-Technologie ist eine zuverlässige Alternative zum traditionellen Herstellungsweg, und vor allem ist es ein proaktiver Schritt, um die negativen Auswirkungen auf die Umwelt zu minimieren.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Die Autoren haben nichts zu offenbaren.

Acknowledgments

Die Autoren möchten Innovate UK zur Finanzierung dieser Forschung im Rahmen der Projekte DIRECT (33417-239227) und PCAP (27508-196153) anerkennen. Die Autoren danken auch PVOH Polymers Ltd., für die Bereitstellung von Materialien und professionelle Beratung während dieser Arbeit, und Unilever, AkzoNobel und Carclo Technical Plastics, für ihre Unterstützung.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Polyvinyl alcohol  PVOH Polymers Ltd, UK Poval 4-88
Mono-propylene glycol  Sigma Aldrich, UK W29004
DV2T viscometer  Brookfield, UK
Attension Theta Optical Tensiometer  Biolin Scientific, Sweden
HANNA pH meter  HANNA Instruments, UK
industrial Inkjet XYPrint100Z Industrial Inkjet Ltd, UK
ContourGT-K 3D optical microscope  Bruker Corp, USA

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Goodship, V., Jacobs, D. Polyvinyl Alcohol: Materials, Processing and Applications. Rapta Review Reports. 16, (2008).
  2. Marin, E., Rojas, J., Ciro, Y. A review of polyvinyl alcohol derivatives: Promising materials for pharmaceutical and biomedical applications. Afr J Pharm Pharmacol. 8 (24), 674-684 (2014).
  3. Baker, M. I., Walsh, S. P., Schwartz, Z., Boyan, B. D. A review of polyvinyl alcohol and its uses in cartilage and orthopedic applications. J. Biomed. Mater. Res. Part B Appl. Biomater. 100 (5), 1451-1457 (2012).
  4. Gaaz, T. S., et al. Properties and Applications of Polyvinyl Alcohol, Halloysite Nanotubes and Their Nanocomposites. Molecules. 20, 22833-22847 (2015).
  5. Birck, C., Degoutin, S., Tabary, N., Miri, V., Bacquet, M. New crosslinked cast films based on poly(vinyl alcohol): Preparation and physico-chemical properties. eXPRESS Poly Lett. 8 (12), 941-952 (2014).
  6. Kitsara, M., et al. Spin coating of hydrophilic polymeric films for enhanced centrifugal flow control by serial siphoning. Microfluid Nanofluid. 16, 691 (2014).
  7. Supaphol, P., Chuangchote, S. On the electrospinning of poly(vinyl alcohol) nanofiber mats: A revisit. J. Appl. Polym. Sci. 108 (2), 969-978 (2008).
  8. Micro Magazine. , Available from: http://micromagazine.fabtech.org/archive/05/04/pham.html (2016).
  9. Hoath, S. D., et al. Links between Ink rheology, drop-on-demand jet formation, and printability. J Imaging Sci Technol. 53 (4), 1-8 (2009).
  10. Pan, Z., et al. Recent development on preparation of ceramic inks in ink-jet printing. Ceram Int. 41, 12515-12528 (2015).
  11. Kamyshny, A., Magdassi, S. Conductive nanomaterials for printed electronics. Small. 10 (17), 3515-3535 (2014).
  12. Li, J., Lemme, M. C., Östling, M. Inkjet Printing of 2D Layered Materials. ChemPhysChem. 15, 3427-3434 (2014).
  13. Choi, H. W., Zhou, T., Singh, M., Jabbour, G. E. Recent developments and directions in printed nanomaterials. Nanoscale. 7, 3338-3355 (2015).
  14. Basirico, L., Cosseddu, P., Fraboni, B., Bonfiglio, A. Inkjet printing of transparent, flexible, organic transistors. Thin Solid Films. 520 (4), 1291-1294 (2011).
  15. Komuro, N., Takaki, S., Suzuki, K., Citterio, D. Inkjet printed (bio)chemical sensing devices. Anal.Bioanal.Chem. 405 (17), 5785-5805 (2013).
  16. Cherrington, R., Wood, B. M., Salaoru, I., Goodship, V. Digital printing of titanium dioxide for dye sensitized solar cells. J. Vis. Exp. , (2016).
  17. Nelo, M., et al. Inkjet-printed memristor: Printing process development. Jpn. J. Appl. Phys. 52, 1-6 (2013).
  18. Jacot-Descombes, L., Gullo, R. M., Mastrangeli, M., Cadarso, V. J., Brugger, J. Inkjet-printed SU-8 Hemispherical Microcapsules and Silicon chip Embedding. IET Micro & Nano Letters. 8 (10), 633-636 (2013).
  19. Martin, G. D., Hoath, S. D., Hutchings, I. M. Inkjet printing - the physics of manipulating liquid jets and drops. J Phys Conf Series. 105, 012001 (2008).
  20. Derby, B. Inkjet printing of functional and structural materials: Fluid properties requirements, feature stability and resolution. Annu. Rev. Mater. Res. 40, 395-414 (2010).
  21. Salaoru, I., Zhou, Z., Morris, P., Gibbons, G. J. Inkjet printing of polyvinyl alcohol multilayers for additive manufacturing applications. J. Appl. Polym. Sci. 133, 43572 (2016).
  22. Pillar Tech. , Available from: http://www.pillartech.com/Surface-Treatment/Technical-Info/Useful-Information/Surface-Tension-Phenomenon (2016).
  23. Deegan, R. D., et al. Capillary flow as the cause of the ring stains from dried liquid drops. Nature. 389, 827-829 (1997).
  24. Yunker, P. J., Still, T., Lohr, M. A., Yodh, A. G. Suppression of the coffee-ring effect by shape-dependent capillary interactions. Nature. 476, 308-311 (2011).
  25. Famili, A., Palkar, S. A., Baldy, W. J. First drop dissimilarity in drop-on-demand inkjet devices. Phys Fluids. 23, 1-6 (2011).
  26. Park, J., et al. Prediction of drop-on-demand (DOD) pattern size in pulse voltage-applied electrohydrodynamic (EHD) jet printing of Ag colloid ink. Appl. Phys. A. 117, 2225 (2014).

Tags

Engineering Inkjet Digital Polyvinylalkohol Viskosität Oberflächenspannung Additivschichtherstellung
Inkjet-bedruckte Polyvinylalkohol-Multilayer
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Salaoru, I., Zhou, Z., Morris, P.,… More

Salaoru, I., Zhou, Z., Morris, P., Gibbons, G. J. Inkjet-printed Polyvinyl Alcohol Multilayers. J. Vis. Exp. (123), e55093, doi:10.3791/55093 (2017).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter